Материал опубликован - 09/01/2004

Шесть соток на кончике пера,
или еще один взгляд на 65-нм технологию и нанолитографию

Шесть соток, иначе говоря - 600 квадратных метров - площадь, хорошо знакомая каждому россиянину. Именно столько выделяли в приснопамятные времена всем тем, кто желал построить "фазенду" в пригороде и проводить летний отдых, сочетая приятное времяпрепровождение на природе с выращиванием овощей и фруктов на собственном крошечном приусадебном участке.

В те же самые времена, лет 20-30 назад, на обложках школьных учебников физики обязательно красовался полупроводниковый транзистор - небольшой цилиндрик с тремя ножками, на базе которого любители радиотехники собирали незамысловатые по нынешним меркам транзисторные приемники.

Вы спросите, к чему весь этот экскурс в историю? И как это связано с современными полупроводниковыми технологиями? Терпение, через минуту вам все станет ясно!

Итак

Давайте представим себе тот самый транзистор, который по площади укладывался в четверть квадратного сантиметра - в одну клеточку в обычной школьной тетрадке, и вообразим, что у нас есть десять миллионов таких транзисторов. Если не размещать транзисторы "впритык", а оставлять между ними небольшие зазоры, то на нашем среднестатистическом дачном участке как раз и поместится 10 миллионов транзисторов - тех самых базовых элементов электроцепей, которые еще каких-то двадцать лет назад активно использовались при создании транзисторных приемников и прочих электробытовых приборов...

Представили себе эту впечатляющую картину - 6 соток земли, плотно засеянной транзисторами, ножки которых соединены проводниками в строго определенном порядке, чтобы построенная система могла выполнять вычислительные задачи? А теперь уменьшите данную композицию до размеров кончика шариковой ручки - 1 мм2 - и вы получите представление о том, что такое современные полупроводниковые CMOS-транзисторы, изготовленные по технологическому процессу 65 нм!

В конце ноября корпорация Intel объявила о создании первой в мире ячейки памяти SRAM (Static Random Access Memory - статической оперативной памяти) емкостью 4 Мб с использованием технологии 65 нм - технологии следующего поколения для промышленного производства транзисторов. Массовое производство чипов по этой технологии с использованием подложек диаметром 300 мм начнется в 2005 году и еще на несколько лет "приглушит" хор скептиков, предвещающих скорую кончину закона Мура.

Ячейка памяти состоит из шести транзисторов и занимает площадь в 0,57 квадратных микрона (0,46х1,24 микрона). Она была создана в рамках 65-нм техпроцесса, который объединяет несколько последних достижений Intel: высокопроизводительные транзисторы с невысоким потреблением энергии, второе поколение технологии "напряженного кремния", позволяющей повысить рабочие токи транзисторов и их быстродействие при увеличении себестоимости всего на 2%, а также 8 слоев высокоскоростных медных соединений и диэлектрического материала с малой величиной диэлектрической проницаемости, позволяющего повысить скорость распространения сигналов в кристалле и снизить энергопотребление процессора.

0,57 µm² 6-T SRAM ячейка



Примерно 10 миллионов транзисторов сможет уместиться на 1 мм²

65-нм технология была разработана и протестирована на фабрике корпорации Intel D1D в Хиллсборо (шт. Орегон) - новейшей и самой большой фабрике Intel, четвертой по счету, использующей 300-мм пластины. Фабрика D1D обладает крупнейшим среди подобных фабрик особо чистым помещением, занимающим площадь 176 000 кв. футов (примерно 3,5 футбольных поля); D1D будет также использоваться для разработки и производства микропроцессоров по следующей, 45-нм технологии Intel.

Завод по производству 65-нм пластин.
Самый технически оснащенный завод по производству подложек.

Новые крошечные ячейки памяти позволяют значительно увеличить кэш-память процессоров при сохранении размеров кристалла, что в свою очередь приводит к росту быстродействия. Испытания показали, что новые ячейки памяти работают очень стабильно с невысоким уровнем шума и практически безошибочным переключением из одного состояния в другое ("включен-выключен").

На протфжении многих лет корпорация Intel обеспечивает справедливость своего закона Мура, вводя в действие новый технологический процесс каждые два года. Нынешний технологический прорыв состоялся даже с опережением графика - всего через 20 месяцев после аналогичного объявления в марте 2002 года о выходе ячейки SRAM, изготовленной по техпроцессу 90 нм, который корпорация Intel уже в самое ближайшее время начинает использовать для массового производства микропроцессоров.

Успеху способствовала и деятельность собственной группы корпорации Intel по изготовлению литографических масок, которая сыграла ключевую роль в создании усовершенствованных масок, позволивших применить сегодняшнее поколение литографического оборудования (193-нм установки) для 65-нм технологического процесса. Усовершенствованные маски с так называемым фазовым смещением позволяют с помощью 193-нм литографии, используемой сегодня для изготовления элементов микросхем по 90-нм процессу, изготавливать элементы размером менее 40 нм!

Нанолитография

На Intel Developer Forum 2003 в Сан-Хосе, был посвящен целый доклад разработкам в Intel еще более тонких технологических процессов производства. При переходе на все более тонкие нормы производства микросхем сложность и стоимость масок для фотолитографии возрастает значительно быстрее, чем удельное число транзисторов. Например, для 90-нанометровой маски число пикселей экспозиции (маски рисуются электронным лучом) равно одному триллиону, а уровень дефектности маски не должен превышать размера, эквивалентного размеру баскетбольного мяча на площади штата Калифорния! Общее число слоев, создаваемых при помощи масок для 90-нанометровых микропроцессоров доходит до 25, что описывается файлом размером около 200 Гбайт, и стоимость разработки набора таких масок выражается девятизначными цифрами. Для "наноразмерных" масок применяется ряд специальных приемов: выступы на углах (чтобы минимизировать влияние угловой дифракции света), трехмерные структуры (фазосдвигающие маски, см. рис.) и пр. В масках для 65-нанометрового техпроцесса будет использоваться ультрафиолет с длиной волны 193 нм.

Маски для более тонких техпроцессов 45 нм и 32 нм также разрабатываются в корпорации. Они предназначены для мощного и глубокого ультрафиолетового излучения (длина волны 13 нм) и отличаются от традиционных масок тем, что работают на отражение, а не на просвет.

Нанолитография при помощи глубокого ультрафиолета

Отражающее покрытие для такой маски cоcтоит из нескольких перемежающихся слоев кремния и молибдена толщиной по несколько нанометров на пластине кварца, а толщина специального фоторезиста на поверхности силиконовой пластины при такой литографии составляет всего несколько ангстрем. На прошедшем IDF корпорация впервые в мире продемонстрировала набор таких масок для создания 32-нанометровых кремниевых структур при помощи жесткого ультрафиолетового излучения.

Маски для 32-нанометровой литографии

На 2007 год намечено начало производства микросхем по техпроцессу 45 нм (длина канала транзистора составит около 30 нм), а в 2009 году появятся прототипы микросхем, изготовленных по технологии 32 нм с длиной канала всего 15 нм.

Как сказал в частной беседе доктор Fu-Chang Lo, зам. директора подразделения Components Research Intel, с приходом фотолитографии глубокого ультрафиолета рентгеновская литография полностью отмерла за ненадобностью. А теоретические пределы для малых размеров при использовании технологии с ультрафиолетовой литографией он оценил как ограниченные не возможностями литографии как таковой, а скорее исходя из физических лимитов самих кремниевых приборов (единицы нанометров).

Что нас ждет

Каждый новый технологический процесс - это микрореволюция, предусматривающая существенную перестройку технологических линий для массового производства процессоров. Чтобы стабильно - раз в два года - обеспечивать почти полуторакратное уменьшение размеров всех схем микропроцессора, приходится каждый раз придумывать что-то поистине революционное. В 2001 году от алюминиевых соединений перешли к медным, в 2003 вместо обычного кремния в транзисторе стали использовать "напряженный кремний", в 2007 году в рамках 45-нм техпроцесса вместо диоксида кремния в затворе транзистора будет использоваться специально созданный в лабораториях корпорации Intel диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью, а электрод затвора будут делать из специального сплава металлов. Все эти "небольшие технологические революции" исследователи корпорации Intel совершают с одной целью - сделать процессоры более мощными и менее дорогими, чтобы удовлетворить постоянно растущие запросы конечных пользователей.

Ссылки по теме:

- Intel Pentium 4 2,53 ГГц, "Новая шина - новые горизонты?"
- Израиль: земля обетованная высоких технологий, или как закалялась Intel Centrino (Banias)
- Лекция старшего вице-президента Intel, д-ра Альберта Ю в России
- Intel: работаем на будущее (итоги 2001 года в т. ч. по Роисси)

Новости по теме:

- 65-нм техпроцесс у Intel и TSMC [27.12.2004]
- Еще один взгляд на 65-нм технологию и нанолитографию [09.01.2004]
- Ученые из Intel положили предел закону Мура [19.12.2003]
- Intel начинает продвигать 65-нм процесс [28.11.2003]
- Новая система для создания проводников в 65-нм чипах от Applied Materials [25.07.2003]